KR20210030034A - 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법, 및 이를 활용한 전기화학적 무선진단방법 - Google Patents

전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법, 및 이를 활용한 전기화학적 무선진단방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 본 발명은 전기적 특성 및 표면코팅이 가능한 탄소 양자점을 활용하여 박테리아 및 암세포의 전기화학적 무선진단 기법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소 양자점의 제조방법에 있어서, 성분 A 화합물을 준비하고 상기 성분 A 화합물을 용매에 용해시켜 성분 A 용액을 제조하는 제1단계; 관능기 중 적어도 하나를 선택하여 각각을 용매에 용해한 후, 상기 성분 A 용액에 첨가하여 상기 관능기를 상기 성분 A 화합물에 치환시키는 제2단계; 상기 용매를 제거하여 가루형태의 나노입자를 얻는 제3단계; 및 상기 나노입자를 증류수에 용해시킨 후 탄화시켜 탄소 양자점을 제조하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법에 대한 것이다.

Description

전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법, 및 이를 활용한 전기화학적 무선진단방법{Electro Chemical wireless diagnosing method using Carbon quantum dot}
본 발명은 전기적 특성 및 표면코팅이 가능한 탄소 양자점을 활용하여 박테리아 및 암세포의 전기화학적 무선진단 기법에 대한 것이다.
암세포를 초기에 진단하기 위한 조직세포 크기의 고 분해능 이미징 방법이 여러 연구자들에 의해 소개되었으며, 특히, 자성 Fe3O4, 실리카 나노입자 혹은 양자점(quantum dots)을 이용한 형광(fluorescence) 이미징 방법이 다수였다.
이는 양자점의 표면에 암을 추적할 수 있는 물질을 도핑하고 인체 등에 주입하면 표적입자들이 암세포 주위에 분포하게 되고, 외부에서 근적외선(약 600~850 ㎚)등과 같은 광원을 조사하면 암세포의 표적입자로부터 적외선 영역의 형광이 발생 되어 외부에 장착되어 있는 형광 검출기로부터 형광신호를 검출하여 암 부위를 정밀하게 이미징 할 수 있는 방법이다.
통상 양자점(quantum dot)은 무기물로 된 발광 반도체 소자의 일종으로, 그 재료는 일반적으로 황화은(Ag2S), 황화카트뮴(CdS), 카드뮴 셀렌(CdSe) 또는 타이타니아(TiO2) 등의 상이한 밴드갭을 갖는 이종 물질의 접합체이고, 크기는 5 내지 15㎚이다. 양자점의 제조 기술은 1990년대 말부터 2000년대 초에 걸쳐서 잘 확립되어 있다.
양자점은, 기존의 덩어리로 된 반도체와는 달리, 그 입자의 크기, 모양 또는 성분에 따라 독특한 다양한 광학적, 전기적 및 자기적 특성을 나타내고, 안정성이 매우 우수한 물질이다.
일반적으로, 이종 물질의 접합체로 된 양자점의 표면에 또 다른 밴드갭을 갖는 이종 물질의 접합체를 코팅시킴으로써 양자 수율(quantum yield)을 증폭시키고, 고분자를 이용한 표면 개질에 의하여 친수성을 나타내도록 변형시켜 사용하여, 인체 투입 시, 혈액과 함께 잘 혼용되어 목표하는 타깃 암세포에 잘 전달될 수 있도록 하고 있다.
상기에서 설명한 바와 같이 상기 양자점은 약 2 ~ 10 ㎚(나노미터) 크기의 중심체와 ZnS(황화아연)으로 이뤄진 껍질로 구성되며, 껍질 밖 표면에 고분자 코팅을 하기 때문에 통상 10 ~ 15㎚ 크기의 나노입자를 가지게 되는데, 양자점의 중심체로는 CdSe(카드뮴셀레나이드), CdTe(카드뮴텔루라이드), CdS(황화카드뮴)이 주로 사용된다. 양자점은 다른 소재가 갖지 못하는 다양한 성질을 갖고 있는데, 대표적으로는, 좁은 파장대에서 강한 형광을 발생하는데, 상기 양자점이 발산하는 빛은 전도대(Conduction band)에서 가전자대(valence band)로 불안정한(들뜬) 상태의 전자가 전이되면서 발생하며, 이때 발생하는 형광은 양자점의 입자가 작을수록 짧은 파장의 빛이 발생하고, 입자가 클수록 긴 파장의 빛을 발생하는 매우 특수한 성질이 있다. 이러한 특성 때문에, 최근에는 양자점을 세포 등 생체물질을 표지하는데 활용되고 있다.
이러한 양자점을 이용한 종래기술이 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 10-2012-0071139호로 "봉한관을 통한 암전이 이미징 방법"이 소개되어 있다.
상기기 종래기술은 (ⅰ) 암세포에 양자점 염료를 미세주입하는 단계; (ⅱ) 양자점 염료가 주입된 암세포를 인간을 제외한 동물에 주입하여 암 발생을 유도하는 단계; (ⅲ) 상기 동물의 암 발생 부위 주변을 절개한 후 다중 스펙트럼 형광 이미징 장치로 복수의 방출 파장에 따른 형광 이미지 및 광학 컬러 이미지를 수득하는 단계; (ⅳ) 상기 형광 이미지에서 암 전류 이미지(dark current image) 및 내재 형광 이미지를 고려하여 정상화 형광 이미지를 수득하는 단계; 및 (ⅴ) 상기 광학 컬러 이미지와 상기 정상화 형광 이미지를 비교하여, 봉한관에 형광이 나타나는지 여부를 확인하는 단계;를 포함하여 구성되어 봉한관을 통한 암 전이 경로를 분석할 수 있는 이미징 방법을 제공한다.
다른 종래기술로는 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 10-2011-0000524호로 "양자점-클로린 유도체의 접합체를 함유하는 광감작제 및 이를 포함하는 광역학 치료에 사용하기 위한 암치료 및 진단용 조성물"이 소개되어있다.
상기 종래기술은 광감작제 중 클로린 유도체를 형광 이미징을 위한 가능성이 있는 후보 물질인 양자점에 결합시킨 양자점-클로린 유도체 접합체의 제조를 통해, 광감작제의 PDT 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 양자점은 암부위로의 약물 전달체로서 작용하여 일부 약물에 의한 암세포의 치료가 가능하다고 기재하고 있다.
대한민국 공개특허 제2014-0033794호 대한민국 등록특허 제1986431호 대한민국 공개특허 제2019-0099658호 대한민국 등록특허 제1599632호 대한민국 공개특허 제2012-0071139호 대한민국 공개번호 제2011-0000524호
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 탄소 양자점을 합성한 뒤 기판에 표면 코팅하여 박테리아 및 세포의 종류와 농도에 따른 전기화학적 진단 및 무선 진단 기법에 응용할 수 있는 데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 탄소 양자점의 제조방법에 있어서, 성분 A 화합물을 준비하고 상기 성분 A 화합물을 용매에 용해시켜 성분 A 용액을 제조하는 제1단계; 관능기 중 적어도 하나를 선택하여 각각을 용매에 용해한 후, 상기 성분 A 용액에 첨가하여 상기 관능기를 상기 성분 A 화합물에 치환시키는 제2단계; 상기 용매를 제거하여 가루형태의 나노입자를 얻는 제3단계; 및 상기 나노입자를 증류수에 용해시킨 후 탄화시켜 탄소 양자점을 제조하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 성분 A화합물은, Hyaluronic acid (HA), Pluronic, polyethylene Glycol (PEG), poly(2-(Dimethylamino) ethyl methacrylate) (PDMA), polyvinylpyrrolidone (PVP), Alginate, Gelatin, hydroxypropyl cellulose (HPC), hydroxypropyl methylcellulose (HPMC), 또는 polyacrylic acid (PAA)이고, 분자량은 1,000 내지 10,000,000g/mol인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 관능기는 제1관능기, 제2관능기, 및 제3관능기 중 적어도 어느 하나이며, 상기 제1관능기는 하기의 화학식 1이고, 상기 제2관능기는 하기의 화학식 2이며, 상기 제3관능기는 하기의 화학식 3인 것을 특징으로 할 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서 Y는 CH2CH2NH2, CH2(CH2)nCl, COCH2Cl 중 어느 하나의 작용기를 포함하는 공중합체이고, 작용기 Y에서 n는 1 내지 5의 정수이며,
[화학식 2]
Figure pat00002
상기 화학식 2에서 X는 CH2CH2NH2, CH2CH2COOH, Cl 중 어느 하나의 작용기를 포함하는 공중합체이고,
[화학식 3]
Figure pat00003
상기 화학식 3에서 Z는 CH3, NH2, N(CH3)2 중 어느 하나의 작용기를 포함하는 공중합체이며, 상기 화학식에서 n는 1 내지 20의 정수이다.
그리고 상기 제4단계에서, 상기 나노입자를 증류수에 용해시킨 후, 수열합성, 산 촉매, 전자빔가속기 방법을 진행한 후, 동결건조하여 탄소 양자점을 제조하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제4단계 후에, 상기 탄소 양자점을 완충용액에 용해시킨 후, 기판에 딥코팅하는 제5단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 제3단계는, 용매 제거 후, 침전시켜 진공 건조하여 나노입자를 수득하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 앞서 언급한 제1목적에 따라 제조된 것을 특징으로 하는 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제3목적은 앞서 언급한 제2목적에 따른 탄소 양자점을 이용하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 무선 진단방법으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법, 및 이를 활용한 전기화학적 무선진단방법에 따르면, 탄소 양자점을 합성한 뒤 기판에 표면 코팅하여 박테리아 및 세포의 종류와 농도에 따른 전기화학적 진단 및 무선 진단 기법에 응용할 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따라 제조한 탄소 양자점의 1H-NMR 분석결과를 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따라 제조한 탄소 양자점의 UV-vis 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 코팅된 기판의 박테리아 검출에 따른 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 코팅된 기판의 박테리아 종류와 농도에 따른 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 코팅된 기판의 박테리아 종류와 농도에 따른 무선 통신(Wireless) 측정 이미지를 확인한 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조한 탄소 양자점의 UV-vis 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조한 탄소 양자점의 ICP-MS 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2에 따라 코팅된 기판의 세포 종류와 농도에 따른 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 2에 따라 코팅된 기판의 세포 종류와 농도에 따른 무선통신(Wireless) 측정 이미지를 확인한 결과이다.
도 10은 본 발명의 실시예 2에 따라 코팅된 기판의 세포 종류와 농도에 따른 꼬마전구 이미지를 확인한 결과이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
본 발명은 탄소 양자점을 합성한 뒤 표면 코팅하여 박테리아 및 세포의 종류와 농도에 따른 전기화학적 진단 및 무선 진단 기법에 응용하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 구성과 그 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법은 먼저 성분 A 화합물을 준비하고 상기 성분 A 화합물을 용매에 용해시켜 성분 A 용액을 제조하게 된다.
본 발명에 따른 성분 A화합물은, Hyaluronic acid (HA), Pluronic, polyethylene Glycol (PEG), poly(2-(Dimethylamino) ethyl methacrylate) (PDMA), polyvinylpyrrolidone (PVP), Alginate, Gelatin, hydroxypropyl cellulose (HPC), hydroxypropyl methylcellulose (HPMC), 또는 polyacrylic acid (PAA)이다. 그리고 분자량은 1,000 내지 10,000,000g/mol이다.
본 발명에 따른 탄소 양자점을 이러한 성분 A 화합물을 기반으로 관능기를 치환하여 물질을 합성하게 된다. 본 발명의 탄소 양자점은 도파민 화합물과 보론 산 화합물을 포함하며, 다이설파이드(disulfide), 다이셀레나이드(diselenide) 결합을 통하여 가교된 화합물을 포함할 수 있다.
그리고 관능기 중 적어도 하나를 선택하여 각각을 용매에 용해한 후, 성분 A 용액에 첨가하여 관능기를 성분 A 화합물에 치환시키게 된다.
성분 A 화합물에 치환된 관능기 1은 하기의 화학식 1로 구성될 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00004
상기 화학식 1에서
Y는 CH2CH2NH2, CH2(CH2)nCl, COCH2Cl 중 어느 하나의 작용기를 포함하는 공중합체이다. 작용기 Y에서 n수는 1 내지 5의 정수이다.
그리고 성분 A 화합물에 치환된 관능기 2는 하기의 화학식 2로 구성될 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00005
상기 화학식 2에서, X는 CH2CH2NH2, CH2CH2COOH, Cl 중 어느 하나의 작용기를 포함하는 공중합체이다.
그리고 성분 A 화합물에 치환된 관능기 3은 하기의 화학식 3으로 구성될 수 있다.
[화학식 3]
Figure pat00006
상기 화학식 3에서 Z는 CH3, NH2, N(CH3)2 중 어느 하나의 작용기를 포함하는 공중합체이다. 상기 화학식에서 n수는 1 내지 20의 정수이다.
그리고 본 발명에서 탄소형광소재 A는 관능기 1 내지 3이 1개 이상 성분 A 화합물에 치환된 화합물을 탄화시킨 탄소 양자점이다. 탄소형광소재는 수열합성법(Hydrothermal)(온도 10 내지 500℃), 산 촉매(농도 0.1 내지 1N), 전자빔 가속기(방사선 100,000 내지 200,000Gy) 방법으로 제조되며, 상기 탄소형광소재 A는 수열합성법(Hydrothermal)을 통해 제조된다.
본 발명에서 탄소형광소재 B는 탄소형광소재 A를 다이설파이드(disulfide), 다이셀레나이드(diselenide) 결합으로 가교된 탄소 양자점이다. 탄소형광소재 B의 제조법은 상온에서 24시간 교반으로 제조된다.
보다 구체적으로 관능기가 치환된 성분 A 용액에서, 용매를 제거하여 가루형태의 나노입자를 얻게 된다. 용매 제거 후, 침전시켜 진공 건조하여 나노입자를 수득하게 된다.
그리고 나노입자를 증류수에 용해시킨 후 탄화시켜 탄소 양자점을 제조하게 된다. 앞서 언급한 바와 같이, 나노입자를 증류수에 용해시킨 후, 수열합성, 산 촉매, 전자빔가속기 방법을 진행한 후, 동결건조하여 탄소 양자점을 제조하게 된다.
그리고 탄소 양자점을 완충용액에 용해시킨 후, 기판에 딥코팅하게 된다.
이하에서는 본 발명에 대한 구체적 실시예에 대해 설명하도록 한다.
[실시예 1] : 박테리아 진단을 위한 접착 특성 및 전기적 특성을 갖는 탄소 양자점의 제조 및 표면코팅
성분 A 화학물 중 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone) 10g을 250mL 둥근바닥 플라스크에 충전 후 에탄올 60mL에 완전히 용해시킨다. 그리고 화학식 1 중 Y가 COCH2Cl를 가지는 도파민 화합물 0.611g과 화학식 2 중 Y가 Cl을 가지는 보론 산 화합물 1.280g을 각각 에탄올 15mL에 용해시켜 상기 둥근바닥 플라스크에 첨가한 후 70 내지 80℃에서 24시간 동안 반응시켰다.
24시간 후 회전식 증발 농축기를 이용하여 용매를 제거한 뒤 다이에틸 에터를 이용하여 침전시켜 진공건조 후 가루형태의 나노입자 9.582g을 수득하였다.
그리고 상기 수득한 나노입자 1g을 증류수 50mL를 용해시킨 후, 180℃에서 8시간 동안 수열합성 시켰다. 반응 후 동결건조를 통해 가루형태의 탄소 양자점 0.7953g을 수득하였다.
그리고 상기 수득한 탄소 양자점 10mg을 트리스 완충용액 pH 8.5 1mL에 완전히 용해시킨 후 실리콘웨이퍼(Si wafer) 기판을 상기 용액에 넣고 상온에서 24시간 딥 코팅 시킨다. 딥 코팅 후 증류수를 이용해 세척 후 건조시켜 탄소 양자점이 코팅된 기판을 수득하였다.
[실시예 2] : 암세포 진단을 위한 접착 특성 및 전기적 특성을 갖는 탄소 양자점의 제조 및 표면코팅
성분 A 중 히알루론산(HA) 1g을 250mL 둥근바닥플라스크에 충전 후 인산완충식염수 pH 5.0 용액 100mL에 완전히 용해시킨다. EDC 0.76g과 NHS 1.14g을 인산완충식염수 pH 5.0 용액 15mL에 각각 용해시켜 상기 둥근바닥플라스크에 첨가한 후 상온에서 2시간 동안 반응시켰다.
2시간 후 화학식 1중 Y가 CH2CH2NH2를 가지는 도파민 화합물 0.1g과 2-Bromoethylamine hydrobormide 0.54g을 인산완충식염수 pH 5.0 용액 10mL에 각각 용해시켜 상기 둥근바닥플라스크에 첨가한 후 상온에서 12시간동안 반응시켰다. 반응 후 24시간동안 투석을 진행한 뒤 동결건조를 통해 가루형태의 나노 입자 0.47g을 수득하였다.
그리고 상기 수득한 나노 입자 0.25g을 증류수 10mL를 첨가하여 용해시킨 후, 180℃에서 4시간 동안 수열합성시켰다. 반응 후 동결건조를 통해 가루 형태의 탄소 양자점 1.36g을 수득하였다.
그리고 상기 수득한 탄소 양자점 200mg을 100mL 둥근바닥플라스크에 충전 후 증류수 20mL에 완전히 용해시킨다. Sodium Diselenide 용액 1mL을 상기 둥근바닥플라스크에 첨가한 후 60℃에서 4시간 동안 반응시켰다. 반응 후 24시간 동안 투석을 진행한 뒤 동결건조를 통해 가루형태의 가교된 탄소 양자점 100mg을 수득하였다.
또한, 상기 수득한 가교된 탄소 양자점 10mg을 트리스 완충용액 pH 8.5 1mL에 용해시킨 후 실리콘웨이퍼(Si wafer) 기판을 상기 용액에 넣고 상온에서 24시간 딥 코팅 시킨다. 딥 코팅 후 증류수를 이용해 세척 후 건조시켜 탄소 양자점이 코팅된 기판을 수득하였다.
이하에서는 앞서 언급한 본 발명의 실시예 1, 실시예 2에 대한 실험예에 대해 설명하도록 한다.
[실험예 1] : 유기 공중합체의 구조 확인
본 발명의 유기 공중합체의 구조를 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 실시하였다.
상기의 실시예 1 내지 2의 구조에 대한 분석을 1H-NMR 및 UV-vis, ICP-MS 등으로 확인하여 그 결과를 도 1 내지 2, 도 6 내지 7에 나타내었다.
구체적으로, 도 1은 상기 실시예 1에서 수득된 탄소 양자점의 핵자기공명(1H-NMR) 구조 분석 결과를 나타낸 그래프로 1.6 내지 2.0ppm에서 폴리비닐피롤리돈과 6.7 내지 7.3ppm에서 카테콜 및 7.3 내지 8.0ppm에서 보론 산 구조를 확인하였다.
도 2는 상기 실시예 1에서 수득된 탄소 양자점의 UV-vis 분석결과이다. 전기적 특성 및 표면코팅이 가능한 나노입자 및 탄소 양자점의 구조 분석을 위해 UV-vis를 측정한 결과 280nm 및 360nm에서의 카테콜 그룹 및 보론 산의 흡광도 그래프를 확인하였다.
도 6은 상기 실시예 2에서 수득된 탄소 양자점의 UV-vis 분석 결과이다, 전기적 특성 및 표면코팅이 가능한 나노 입자 및 탄소 양자점의 구조 분석을 위해 UV-vis를 측정한 결과 280nm 및 360nm에서의 dopamine의 흡광도 그래프를 확인하였다.
도 7은 상기 실시예 2에서 수득된 탄소 양자점의 ICP-MS 분석 결과이다. 탄소입자에 가교되어 있는 다이셀레나이드(diselenide) 결합을 확인하기 위해 ICP-MS를 측정한 결과 Se78의 존재 및 함량을 확인하였다.
[실험예 2] : 탄소 양자점의 기판 코팅 후 박테리아 및 세포의 농도와 종류에 따른 전기적 특성 확인
상기 실시예 1 내지 2에서 수득한 탄소 양자점 및 코팅된 기판의 박테리아 및 세포에 농도와 종류에 따른 전기적 특성을 측정하기 위하여 SEM 및 EIS, Wireless, 꼬마전구 빛의 세기를 측정하였다. 그 결과를 도 3 내지 5, 도 8 내지 10 에 나타내었다.
도 3은 상기 실시예 1에서 탄소 양자점이 코팅된 기판의 박테리아 검출에 따른 주사전자현미경(SEM) 측정결과이다. 도 3 (a)에 도시된 바와 같이 기존 실리콘웨이퍼(Si wafer) 기판과 비교했을 때 표면에 탄소 양자점이 균일하게 분포되어있는 이미지를 확인할 수 있고, 도 3 (b) 그람음성균(E. coli)와 (c)그람양성균(S. aureus) 처리 후의 SEM 이미지를 통해 약 1μm 크기의 박테리아 세포들이 기판에 존재함을 확인하였다.
도 4는 실시예 1에서 탄소 양자점이 코팅된 기판의 EIS 분석 결과이다. 박테리아의 종류와 농도에 따른 전기화학적 진단을 확인하기 위해 EIS를 측정한 결과 도 4 (a)그람 음성균(E. coli), 도 4 (b)그람 양성균(S. aureus) 박테리아 셀 농도가 증가함에 따라 저항값 또한 증가하는 것을 통해 박테리아의 전기화학적 진단이 가능함을 확인하였다.
도 5는 상기 실시예 1에서 탄소 양자점이 코팅된 기판의 무선통신(Wireless) 측정결과이다. 무선통신(Wireless)을 이용하여 박테리아의 종류와 농도에 따른 무선진단의 여부를 확인한 결과 (a)그람음성균(E. coli), (b)그람양성균(S. aureus) 모두 박테리아 셀 농도 증가에 따른 저항값의 증가로 전기적 신호가 변화함을 이미지로 확인하며 박테리아의 무선진단이 가능함을 확인하였다.
도 8은 상기 실시예 2에서 탄소 양자점이 코팅된 기판의 EIS 분석 결과이다. 세포의 종류와 농도에 따른 전기화학적 진단을 확인하기 위해 EIS를 측정한 결과 (a)정상세포(MDCK)는 농도가 증가함에 따라 약간의 저항 값이 감소함을 확인할 수 있다. 반면에 (b)암세포(MDAMB)에서는 농도가 증가함에 따라 더 큰 폭으로 저항 값이 감소하는 것을 통해 선택적으로 전기화학적 진단이 가능함을 확인하였다.
도 9는 상기 실시예 2에서 탄소 양자점이 코팅된 기판의 무선통신(Wireless) 측정결과이다. 무선통신(Wireless)을 이용하여 세포의 종류와 농도에 따른 무선진단의 여부를 확인한 결과 (a)정상세포(MDCK)는 세포의 농도에 따른 전기적 신호의 큰 차이를 확인할 수 없었다. 반면에 (b)암세포(MDAMB)에서는 세포의 농도가 증가함에 따라 전기적 신호의 큰 차이를 이미지로 확인하며 선택적으로 무선진단이 가능함을 확인하였다.
도 10은 상기 실시예 2에서 탄소 양자점이 코팅된 기판의 꼬마전구의 빛의 세기를 측정한 이미지 이다. 세포의 종류와 농도에 따라 변화된 전기적 반응성을 이미지로 확인한 결과 (a)정상세포(MDCK)는 세포의 농도가 증가함에 따라 저항의 큰 차이가 없어 꼬마전구의 빛이 아주 희미하게 빛나는 것을 확인할 수 있다. 반면에 (b)암세포(MDAMB)에서는 세포의 농도가 증가함에 따라 저항의 값이 감소하여 꼬마전구의 빛이 밝게 빛나는 것을 확인할 수 있다.
비록 본 발명이 상기에 언급된 바람직한 실시예로서 설명되었으나, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 또한 첨부된 청구 범위는 본 발명의 요지에 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함한다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (8)

  1. 탄소 양자점의 제조방법에 있어서,
    성분 A 화합물을 준비하고 상기 성분 A 화합물을 용매에 용해시켜 성분 A 용액을 제조하는 제1단계;
    관능기 중 적어도 하나를 선택하여 각각을 용매에 용해한 후, 상기 성분 A 용액에 첨가하여 상기 관능기를 상기 성분 A 화합물에 치환시키는 제2단계;
    상기 용매를 제거하여 가루형태의 나노입자를 얻는 제3단계; 및
    상기 나노입자를 증류수에 용해시킨 후 탄화시켜 탄소 양자점을 제조하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 성분 A화합물은,
    Hyaluronic acid (HA), Pluronic, polyethylene Glycol (PEG), poly(2-(Dimethylamino) ethyl methacrylate) (PDMA), polyvinylpyrrolidone (PVP), Alginate, Gelatin, hydroxypropyl cellulose (HPC), hydroxypropyl methylcellulose (HPMC), 또는 polyacrylic acid (PAA)이고, 분자량은 1,000 내지 10,000,000g/mol인 것을 특징으로 하는 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 관능기는 제1관능기, 제2관능기, 및 제3관능기 중 적어도 어느 하나이며,
    상기 제1관능기는 하기의 화학식 1이고, 상기 제2관능기는 하기의 화학식 2이며, 상기 제3관능기는 하기의 화학식 3인 것을 특징으로 하는 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법:
    [화학식 1]
    Figure pat00007

    상기 화학식 1에서 Y는 CH2CH2NH2, CH2(CH2)nCl, COCH2Cl 중 어느 하나의 작용기를 포함하는 공중합체이고, 작용기 Y에서 n는 1 내지 5의 정수이며,
    [화학식 2]
    Figure pat00008

    상기 화학식 2에서 X는 CH2CH2NH2, CH2CH2COOH, Cl 중 어느 하나의 작용기를 포함하는 공중합체이고,
    [화학식 3]
    Figure pat00009

    상기 화학식 3에서 Z는 CH3, NH2, N(CH3)2 중 어느 하나의 작용기를 포함하는 공중합체이며, 상기 화학식에서 n는 1 내지 20의 정수이다.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제4단계에서,
    상기 나노입자를 증류수에 용해시킨 후, 수열합성, 산 촉매, 전자빔가속기 방법을 진행한 후, 동결건조하여 탄소 양자점을 제조하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제4단계 후에,
    상기 탄소 양자점을 완충용액에 용해시킨 후, 기판에 딥코팅하는 제5단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    용매 제거 후, 침전시켜 진공 건조하여 나노입자를 수득하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따라 제조된 것을 특징으로 하는 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점.
  8. 제 7항에 따른 탄소 양자점을 이용하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 무선 진단방법.
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